JP2022158717A - Semiconductor element, semiconductor integrated circuit, and manufacturing method for semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トンネル電界効果トランジスタの素子構造を有する半導体素子、半導体集積回路及び前記半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a device structure of a tunnel field effect transistor, a semiconductor integrated circuit, and a method of manufacturing the semiconductor device.
近年、LSIの低消費電力化を目指した試みが盛んである。動作電圧の低減は、その試みの一つであるが、従来の回路で用いられているMOSトランジスタでは、物理的な限界から大幅な低電圧化が困難である。そのため、LSIの低消費電力化のため、異なる動作原理に基づく低電圧スイッチングデバイスの開発が待望されている。 In recent years, many attempts have been made to reduce the power consumption of LSIs. Reducing the operating voltage is one such attempt, but with the MOS transistors used in conventional circuits, it is difficult to significantly lower the voltage due to physical limitations. Therefore, in order to reduce the power consumption of LSI, development of a low voltage switching device based on a different operating principle is desired.
半導体のバンド間トンネル現象を利用したトンネル電界効果トランジスタは、その一つであり、前記MOSトランジスタとは異なる動作原理としてトンネル現象を利用する。前記バンド間トンネル現象は、電位による障壁を越えることのないエネルギーの電子であっても、ある確率でその障壁の反対側に通過する現象である。この電位による障壁は、トンネル障壁と呼ばれる。 A tunnel field effect transistor that utilizes the band-to-band tunneling phenomenon of a semiconductor is one of them, and utilizes the tunneling phenomenon as an operation principle different from that of the MOS transistor. The band-to-band tunneling phenomenon is a phenomenon in which even electrons with an energy that does not cross a potential barrier pass through the barrier with a certain probability. A barrier due to this potential is called a tunnel barrier.
前記トンネル電界効果トランジスタは、その動作原理上、電子が前記トンネル障壁を通過する速度、つまりトンネル電流の大小をゲート電圧で制御することが可能であり、前記MOSトランジスタよりも低い電圧で動作可能なプロトタイプが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、前記プロトタイプでは、前記トンネル電流の電流量を規定するトンネル抵抗が大きいため、オン状態での電流(オン電流)が小さい問題がある。
この問題について、前記トンネル障壁を形成するトンネル接合部分の面積、つまり、前記バンド間トンネル現象が生ずる面積を単純に増やして、低電流密度でも1素子当たりの電流を大きくすることも考えられるが、このような構成とすると、素子が大型化し、集積回路の形成に向かない非実用的な素子となる。高集積の実用的な集積回路を得るため、素子の小型化が求められる。
The tunnel field effect transistor can control the speed at which electrons pass through the tunnel barrier, that is, the magnitude of the tunnel current, by the gate voltage, and can operate at a voltage lower than that of the MOS transistor. A prototype has been reported (see, for example, Non-Patent Document 1).
However, in the prototype, the tunnel resistance that defines the current amount of the tunnel current is large, so there is a problem that the current in the ON state (ON current) is small.
Regarding this problem, it is conceivable to simply increase the area of the tunnel junction portion forming the tunnel barrier, that is, the area where the band-to-band tunneling phenomenon occurs, thereby increasing the current per element even at a low current density. Such a configuration increases the size of the device, making it an impractical device unsuitable for forming an integrated circuit. In order to obtain a highly integrated practical integrated circuit, miniaturization of elements is required.
ところで、前記トンネル電界効果トランジスタを製造するための半導体材料には、直接遷移型半導体と、間接遷移型半導体との2つがある。前者には、主に化合物半導体が該当し、後者には、主にIV族半導体が該当する。
前記バンド間トンネル現象が生じる確率は、一般に、前記直接遷移型半導体の方が前記間接遷移型半導体よりも高いことから、前記化合物半導体の利用は、オン電流の増大に対して有効であると考えられる(非特許文献2参照)。
しかしながら、前記化合物半導体を利用する手法には、前記トンネル電界効果トランジスタの製造に既存の半導体素子製造設備の多くを利用できないことから、新たな設備投資が必要となり、製造コストが高くなる問題がある。
By the way, there are two types of semiconductor materials for manufacturing the tunnel field effect transistor: direct transition semiconductors and indirect transition semiconductors. The former mainly corresponds to compound semiconductors, and the latter mainly corresponds to Group IV semiconductors.
Since the probability of occurrence of the band-to-band tunneling phenomenon is generally higher in the direct transition semiconductor than in the indirect transition semiconductor, the use of the compound semiconductor is considered effective for increasing the on-current. (See Non-Patent Document 2).
However, in the method using the compound semiconductor, most of the existing semiconductor device manufacturing equipment cannot be used for manufacturing the tunnel field effect transistor, so there is a problem that new equipment investment is required and the manufacturing cost increases. .
一方、前記IV族半導体の代表的な材料は、シリコンやゲルマニウムであり、既存の半導体素子製造設備を利用して前記トンネル電界効果トランジスタを製造することができるものの、前記バンド間トンネル現象の生じる確率が低く、依然としてオン電流の増大に向けた課題が残る。
この課題に対し、本発明者らは、前記間接遷移型半導体にアイソエレクトロニックトラップ形成不純物を導入することで、オン電流を増大させた前記トンネル電界効果トランジスタを報告している(特許文献1参照)。
このアイソエレクトロニックトラップ形成不純物を導入する手法も、課題解決の手法の一つである。
On the other hand, representative materials of the group IV semiconductor are silicon and germanium, and although the tunnel field effect transistor can be manufactured using existing semiconductor device manufacturing equipment, the probability of occurrence of the band-to-band tunneling phenomenon is high. is low, and there still remains the problem of increasing the on-current.
In response to this problem, the present inventors have reported a tunnel field effect transistor in which an on-current is increased by introducing an isoelectronic trap-forming impurity into the indirect transition semiconductor (see Patent Document 1). .
The technique of introducing this isoelectronic trap-forming impurity is also one of the techniques for solving the problem.
また、別の手法として、シリコンを直径約3nmのワイヤー状に加工したシリコンナノワイヤの構造を導入することにより、オン電流を増大させることが報告されている(非特許文献3参照)。この報告では、前記シリコンナノワイヤの構造としたことで、本来、前記間接遷移型半導体であるシリコンが疑似的に直接遷移化されることも報じられている。
しかしながら、直径3nmの前記シリコンナノワイヤは、加工が難しく、製造コストの増大を招く問題がある。特に、前記シリコンナノワイヤの断面が真円形状とされ、かつ、ゲート電極が前記シリコンナノワイヤの全周を均一に覆うように配されることから、加工プロセスの高難易度化、製造コストの肥大化が著しい。
As another method, it has been reported that the on-current is increased by introducing a silicon nanowire structure obtained by processing silicon into a wire shape having a diameter of about 3 nm (see Non-Patent Document 3). In this report, it is also reported that silicon, which is originally an indirect transition type semiconductor, is converted into a pseudo direct transition type by adopting the silicon nanowire structure.
However, the silicon nanowires with a diameter of 3 nm are difficult to process, leading to increased manufacturing costs. In particular, the cross section of the silicon nanowires is perfectly circular, and the gate electrode is arranged to uniformly cover the entire periphery of the silicon nanowires, which increases the difficulty of the processing process and increases the manufacturing cost. is significant.
本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、小型で簡易かつ低コストに製造でき、かつ、大きなオン電流が得られる半導体素子、半導体集積回路及び前記半導体素子の製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to achieve the following objects. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor element, a semiconductor integrated circuit, and a method of manufacturing the semiconductor element which are small, can be manufactured easily and at low cost, and can provide a large on-current.
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> トンネル電界効果トランジスタの素子構造を有する半導体素子において、間接遷移型半導体で形成されるチャネル部が、一端がソース部に接続され他端がドレイン部に接続される板状形状部を有して構成されるとともに、前記板状形状部を構成する、前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する第1対向面同士及び第2対向面同士の2組の対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士が、電子運動の規制により前記間接遷移型半導体に対し疑似的に直接遷移型半導体のバンド構造が付与可能とされる電子閉じ込め面を長くとも15nmの対向間隔で配して形成されることを特徴とする半導体素子。
<2> 第1対向面同士及び第2対向面同士を構成する4面の構成面全てが電子閉じ込め面で構成される前記<1>に記載の半導体素子。
<3> トンネル電界効果トランジスタの素子構造を構成するゲート部が、第1対向面同士及び第2対向面同士を構成する4面の構成面のうち多くとも3面の全体又は一部を覆うように配される前記<1>から<2>のいずれかに記載の半導体素子。
<4> 間接遷移型半導体がシリコンであり、電子閉じ込め面が{100}面である前記<1>から<3>のいずれかに記載の半導体素子。
<5> 間接遷移型半導体がゲルマニウムであり、電子閉じ込め面が{111}面である前記<1>から<3>のいずれかに記載の半導体素子。
<6> 間接遷移型半導体がシリコンとゲルマニウムとの混晶であり、前記ゲルマニウムの含有率が85原子%未満のときに電子閉じ込め面が{100}面であり、前記ゲルマニウムの含有率が85原子%以上のときに前記電子閉じ込め面が{111}面である前記<1>から<3>のいずれかに記載の半導体素子。
<7> トンネル電界効果トランジスタに形成されるトンネル接合が半導体接合で構成される前記<1>から<6>のいずれかに記載の半導体素子。
<8> トンネル電界効果トランジスタに形成されるトンネル接合がショットキー接合で構成される前記<1>から<6>のいずれかに記載の半導体素子。
<9> 前記<1>から<8>のいずれかに記載の半導体素子を有することを特徴とする半導体集積回路。
<10> 前記<1>から<8>のいずれかに記載の半導体素子の製造方法であって、
間接遷移型半導体により一端がソース部に接続され他端がドレイン部に接続される板状形状部を有するチャネル部を形成するとともに、前記板状形状部を構成する、前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する第1対向面同士及び第2対向面同士の2組の対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士を、電子運動の規制により前記間接遷移型半導体に対し疑似的に直接遷移型半導体のバンド構造が付与可能とされる電子閉じ込め面を長くとも15nmの対向間隔で配して形成するチャネル部形成工程を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
Means for solving the above problems are as follows. Namely
<1> In a semiconductor element having an element structure of a tunnel field effect transistor, a channel portion formed of an indirect transition semiconductor has a plate-shaped portion having one end connected to a source portion and the other end connected to a drain portion. and two of the first opposing surfaces and the second opposing surfaces, which constitute the plate-shaped portion, facing each other in a direction orthogonal to the direction in which the current flows from the source portion to the drain portion. At least one pair of the opposing surfaces among the pairs of opposing surfaces has an elongated electron confinement surface in which a pseudo direct transition semiconductor band structure can be imparted to the indirect transition semiconductor by regulation of electron motion. A semiconductor device characterized in that both are arranged at a facing distance of 15 nm.
<2> The semiconductor device according to <1> above, wherein all of the four surfaces constituting the first opposing surfaces and the second opposing surfaces are electron confining surfaces.
<3> The gate portion constituting the device structure of the tunnel field effect transistor covers all or part of at most three of the four surfaces constituting the first opposing surfaces and the second opposing surfaces. The semiconductor device according to any one of <1> to <2> above.
<4> The semiconductor device according to any one of <1> to <3>, wherein the indirect transition semiconductor is silicon and the electron confinement plane is a {100} plane.
<5> The semiconductor device according to any one of <1> to <3>, wherein the indirect transition semiconductor is germanium and the electron confinement plane is a {111} plane.
<6> The indirect transition semiconductor is a mixed crystal of silicon and germanium, the electron confinement plane is a {100} plane when the germanium content is less than 85 atomic percent, and the germanium content is 85 atoms. % or more, the electron confinement plane is a {111} plane.
<7> The semiconductor device according to any one of <1> to <6>, wherein the tunnel junction formed in the tunnel field effect transistor is composed of a semiconductor junction.
<8> The semiconductor device according to any one of <1> to <6>, wherein the tunnel junction formed in the tunnel field effect transistor is a Schottky junction.
<9> A semiconductor integrated circuit comprising the semiconductor element according to any one of <1> to <8>.
<10> The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of <1> to <8>,
A channel portion having a plate-shaped portion, one end of which is connected to a source portion and the other end of which is connected to a drain portion, is formed by an indirect transition type semiconductor, and the plate-shaped portion is formed from the source portion to the drain portion. At least one of the two sets of opposing surfaces, that is, the first opposing surfaces and the second opposing surfaces facing each other in the direction orthogonal to the direction in which the current flows toward the A semiconductor characterized by comprising a channel portion forming step of forming electron confining surfaces capable of imparting a pseudo-direct band structure to an indirect band semiconductor at an opposing interval of at most 15 nm. A method for manufacturing an element.
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、小型で簡易かつ低コストに製造でき、かつ、大きなオン電流が得られる半導体素子、半導体集積回路及び前記半導体素子の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a semiconductor element, a semiconductor integrated circuit, and a method for manufacturing the semiconductor element that can solve the above-mentioned problems in the prior art, can be manufactured in a small size, can be manufactured easily and at low cost, and can obtain a large on-current. can be provided.
(半導体素子及びその製造方法)
本発明の半導体素子は、トンネル電界効果トランジスタの素子構造を有し、間接遷移型半導体で形成されるチャネル部が、一端がソース部に接続され他端がドレイン部に接続される板状形状部を有して構成されるとともに、前記板状形状部を構成する、前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する第1対向面同士及び第2対向面同士の2組の対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士が、電子閉じ込め面を長くとも15nmの対向間隔で配して形成されることを特徴とする。
(Semiconductor element and its manufacturing method)
The semiconductor element of the present invention has an element structure of a tunnel field effect transistor, and a channel portion formed of an indirect transition semiconductor is a plate-shaped portion having one end connected to a source portion and the other end connected to a drain portion. and constituting the plate-shaped portion, first opposing surfaces and second opposing surfaces facing each other in a direction orthogonal to a direction in which current flows from the source portion to the drain portion At least one of the two pairs of opposing surfaces of (1) is formed with the electron confining surfaces arranged at an interval of 15 nm at the longest.
また、本発明の半導体素子の製造方法は、本発明の前記半導体素子を製造する方法であり、前記間接遷移型半導体により一端が前記ソース部に接続され他端が前記ドレイン部に接続される前記板状形状部を有する前記チャネル部を形成するとともに、前記板状形状部を構成する、前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する前記第1対向面同士及び前記第2対向面同士の2組の対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士を、前記電子閉じ込め面を長くとも15nmの対向間隔で配して形成するチャネル部形成工程を含むことを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor element of the present invention is a method of manufacturing the semiconductor element of the present invention, wherein the indirect transition semiconductor has one end connected to the source portion and the other end connected to the drain portion. The first opposing surfaces forming the channel portion having the plate-shaped portion and constituting the plate-shaped portion are opposed to each other in a direction perpendicular to a direction in which current flows from the source portion to the drain portion. and a channel portion forming step of forming at least one pair of the opposing surfaces of the two pairs of the second opposing surfaces with the electron confining surfaces arranged at an opposing interval of at most 15 nm. characterized by
これらの特徴により、前記電子閉じ込め面に閉じ込められた電子の挙動が、前記間接遷移型半導体で形成される前記板状形状部において、前記直接遷移型半導体と同様に制御され、前記半導体素子のトンネル電流を増大させる。また、前記トンネル電流が流れる前記チャネル部を既存の製造設備を利用しつつ、小型で簡易かつ低コストに製造可能な前記板状形状部を有して形成することで、前記半導体素子を小型で簡易かつ低コストに製造可能とする。 With these characteristics, the behavior of electrons confined in the electron confinement surface is controlled in the plate-shaped portion formed of the indirect transition semiconductor in the same manner as in the direct transition semiconductor, and the semiconductor element tunnels. Increase current. In addition, the semiconductor device can be made small by forming the channel portion through which the tunnel current flows so as to have the plate-shaped portion that can be manufactured in a small size, easily, and at low cost while using existing manufacturing equipment. To enable simple and low-cost manufacturing.
前記トンネル電流の増大メカニズムについて、詳細に説明する。
前記間接遷移型半導体の端的な特徴は、価電子帯最上端における運動量と伝導帯最下端における運動量とが一致していないことにある。
即ち、図1(a)に示す通り、価電子帯最上端における電子の運動量がゼロであるのに対し、伝導帯最下端における電子の運動量がゼロではない。つまり、価電子帯最上端における電子と、伝導帯最下端における電子との間には、運動量のズレがある。なお、図1(a)は、バルク状態における前記間接遷移半導体のエネルギーバンドを示す図である。
バンド間トンネルに伴う価電子帯から伝導帯への電子の状態遷移においては、運動量保存則を満たしている必要があり、この運動量保存則の制限により、運動量にズレがある前記間接遷移型半導体を用いた前記トンネル電界効果トランジスタにおいては、大きな前記トンネル電流を得ることが難しい。
A mechanism for increasing the tunnel current will be described in detail.
A characteristic feature of the indirect bandgap semiconductor is that the momentum at the top end of the valence band does not match the momentum at the bottom end of the conduction band.
That is, as shown in FIG. 1A, the momentum of electrons at the top end of the valence band is zero, whereas the momentum of electrons at the bottom end of the conduction band is not zero. In other words, there is a momentum difference between electrons at the top end of the valence band and electrons at the bottom end of the conduction band. FIG. 1(a) is a diagram showing energy bands of the indirect bandgap semiconductor in a bulk state.
The state transition of electrons from the valence band to the conduction band accompanying interband tunneling must satisfy the law of conservation of momentum. In the tunnel field effect transistor used, it is difficult to obtain a large tunnel current.
しかしながら、前記間接遷移型半導体を疑似的に直接遷移型半導体化することで、前記間接遷移型半導体を用いた前記トンネル電界効果トランジスタであっても、前記トンネル電流を増大させることができ、かつ、そのために必要な構成は、前記チャネル部に対し前記板状形状部を与えた構成とされる。
前記板状形状部では、(1)前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する第1対向面同士及び第2対向面同士の2組の対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士が電子閉じ込め面で構成されること、(2)前記電子閉じ込め面を長くとも15nmの距離である極めて短い対向間隔で配すること、の2つの条件を満足すると、前記間接遷移型半導体でありながら疑似的に直接遷移型半導体化される。
即ち、図1(b)に示す通り、前記2条件を満足する前記板状形状部では、前記間接遷移型半導体の端的な特徴として上述した特徴を失い、価電子帯最上端及び伝導帯最下端における電子の運動量がともにゼロとなる。なお、図1(b)は、疑似的に直接遷移型半導体化された前記間接遷移半導体のエネルギーバンドを示す図である。
However, by converting the indirect transition semiconductor into a pseudo direct transition semiconductor, the tunnel current can be increased even in the tunnel field effect transistor using the indirect transition semiconductor, and A configuration required for this purpose is a configuration in which the plate-shaped portion is provided to the channel portion.
In the plate-shaped portion, (1) two sets of opposing surfaces, ie, first opposing surfaces and second opposing surfaces facing each other in a direction perpendicular to the direction in which current flows from the source portion to the drain portion, and (2) the electron confinement surfaces are arranged at an extremely short interval of 15 nm at the longest. , the indirect transition type semiconductor is pseudo-direct transition type semiconductor.
That is, as shown in FIG. 1(b), the plate-shaped portion that satisfies the above two conditions loses the above-mentioned characteristic features of the indirect bandgap semiconductor, and the valence band uppermost end and the conduction band lowermost end are lost. The momentum of the electrons at becomes zero. In addition, FIG.1(b) is a figure which shows the energy band of the said indirect transition semiconductor made into a pseudo direct transition semiconductor.
この様子を図2を参照しつつ、説明する。
図2の例に示すように、前記電子閉じ込め面の対向間隔を短くしていくと、つまり、板状の間接遷移型半導体1のkx方向の厚みを薄くしていくと、電子が狭い領域に閉じ込められていき、この厚みが15nm以下となると、kx方向における電子の運動量が失われる。そのため、価電子帯最上端及び伝導帯最下端における電子の運動量がともにゼロとなる状態が生ずる(前記直接遷移型半導体の遷移状態)。この際、前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向がky方向(又はkz方向)と平行となる方向で間接遷移型半導体1を配し、ky方向(又はkz方向)と直交方向のkx方向で対向する前記対向面同士を前記電子閉じ込め面で構成すれば、運動量保存則による制限を緩和して、電子が価電子帯から伝導帯に直接遷移するトンネル確率を増加させ、大きなトンネル電流が得られることとなる。以下では、この電子運動の制御に基づいて大きなトンネル電流が得られる効果を、厚みに応じて電子が局所位置に畳み込まれる様子にならい、“畳み込み効果”と称する。
なお、図2は、前記間接遷移型半導体が疑似的に直接遷移型半導体化される様子を説明するための説明図である。
This state will be described with reference to FIG.
As shown in the example of FIG. 2, when the distance between the electron confinement surfaces facing each other is shortened, that is, when the thickness of the plate-like
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining how the indirect transition semiconductor is pseudo-direct transition semiconductor.
前記間接遷移型半導体の薄層化による疑似的な直接遷移型半導体化を示唆する物理現象として、前記間接遷移型半導体からの発光現象が挙げられる。本来、前記間接遷移型半導体から大きな発光を得ることはできないが、薄層化することにより、発光強度が指数関数的に増加することが知られている(下記参考文献1参照)。
これは、前記間接遷移型半導体が疑似的に直接遷移型半導体化し、運動量ゼロの地点において、電子-正孔ペアが容易に再結合することに起因する。
参考文献1:特開2007-294628号公報
As a physical phenomenon suggesting that the indirect bandgap semiconductor becomes a pseudo direct bandgap semiconductor by thinning the indirect bandgap semiconductor, there is a light emission phenomenon from the indirect bandgap semiconductor. Originally, it is not possible to obtain large light emission from the indirect bandgap semiconductor, but it is known that the light emission intensity increases exponentially by making the layer thinner (see
This is because the indirect transition semiconductor becomes a pseudo-direct transition semiconductor, and electron-hole pairs are easily recombined at the point of zero momentum.
Reference 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2007-294628
前記発光現象と前記バンド間トンネル現象とは異なる現象であるが、本発明では、前記間接遷移型半導体の薄層化による疑似的な直接遷移型半導体化を前記バンド間トンネル現象を利用したトンネル電界効果型トランジスタに対して適用する。前記板状形状部についての前述の2条件を満足させることで、前記トンネル電界効果型トランジスタにおけるトンネル電流の増大効果が得られる。
図3は、N型トンネル電界効果トランジスタを例としてトンネル電流が増大する様子を模式的に示した図である。
この図3の例に示されるように、板状の間接遷移型半導体1’におけるp+ソース領域とn型チャネル領域との間に形成されたトンネル接合2のトンネル障壁を通過する際、板状の間接遷移型半導体1’では、前記畳み込み効果により、価電子帯最上端及び伝導帯最下端における電子の運動量がともにゼロとなる状態が生じ、運動量保存則による制限が緩和され、トンネル確率が増加する。
次に、本発明の前記半導体素子における各構成について、詳細に説明する。
Although the luminescence phenomenon and the band-to-band tunneling phenomenon are different phenomena, in the present invention, a tunnel electric field utilizing the band-to-band tunneling phenomenon is used to create a pseudo direct bandgap semiconductor by thinning the indirect bandgap semiconductor. Applies to effect transistors. By satisfying the two conditions described above for the plate-shaped portion, an effect of increasing the tunnel current in the tunnel field effect transistor can be obtained.
FIG. 3 is a diagram schematically showing how the tunnel current increases, taking an N-type tunnel field effect transistor as an example.
As shown in the example of FIG. 3, when passing through the tunnel barrier of the
Next, each configuration in the semiconductor device of the present invention will be described in detail.
<トンネル電界効果トランジスタの素子構造>
前記トンネル電界効果トランジスタの前記素子構造は、前記ソース部と、前記ソース部に隣接して配され、その境界を前記トンネル障壁が形成される前記トンネル接合とする前記チャネル部と、前記チャネル部に隣接して配される前記ドレイン部と、前記チャネル部の露出部全体又は一部を覆うように配されるゲート部とで構成される。
本発明の前記半導体素子は、この前記素子構造における前記チャネル部のより具体的な構造が上述の特徴を有する。
<Device Structure of Tunnel Field Effect Transistor>
The device structure of the tunnel field effect transistor includes the source portion, the channel portion adjacent to the source portion and having a boundary thereof as the tunnel junction where the tunnel barrier is formed, and the channel portion. The drain portion is arranged adjacent to the drain portion, and the gate portion is arranged so as to cover the whole or part of the exposed portion of the channel portion.
The semiconductor element of the present invention has the above-described characteristics in the more specific structure of the channel portion in the element structure.
<ソース部及びドレイン部>
前記ソース部及び前記ドレイン部は、半導体に不純物を導入して形成される公知のソース領域及びドレイン領域、又は、金属材料により形成される公知のソース電極及びドレイン電極と同様に形成される。
<Source part and drain part>
The source portion and the drain portion are formed in the same manner as known source and drain regions formed by introducing impurities into a semiconductor, or known source and drain electrodes made of a metal material.
前記ソース部及び前記ドレイン部を前記ソース領域及び前記ドレイン領域として形成する場合、前記ソース領域は、P型又はN型のいずれかの導電型である第1の導電型で形成され、前記ドレイン領域は、前記第1の導電型と異なる前記導電型である第2の導電型で形成される。また、前記ソース領域は、前記間接遷移型半導体で形成される前記チャネル部と、半導体同士の接合で構成される半導体接合を形成し、前記トンネル接合が前記半導体接合で構成される。
前記半導体接合において前記トンネル接合を形成する方法としては、特に制限はなく、前記ソース領域と前記チャネル部との間に不純物物質の急峻な濃度プロファイルを与えるなどの公知の方法を挙げることができる。
前記ソース領域及び前記ドレイン領域を形成する前記半導体としては、前記チャネル部とトンネル接合を形成可能な材料である限り、特に制限はなく、公知の半導体材料を適用することができるが、製造上、前記チャネル部を構成する前記間接遷移型半導体と同じ半導体材料で形成することが好ましい。即ち、この場合、一つの半導体基板に前記不純物をイオン注入等によりドープして前記ソース領域、前記ドレイン領域を形成する代表的な製造方法を適用することができる。
また、前記不純物としては、特に制限はなく、ボロン、リン、ヒ素等の公知の不純物を用いることができる。
なお、前記半導体素子をP型トンネル電界効果トランジスタとして動作させる場合、前記ソース領域をN型(N+)の半導体領域とし、前記ドレイン領域をP型(P+)の半導体領域として構成する。反対に、前記半導体素子をN型トンネル電界効果トランジスタとしてとして動作させる場合、前記ソース領域をP型(P+)の半導体領域とし、前記ドレイン領域をN型(N+)の半導体領域として構成する。
When the source region and the drain region are formed as the source region and the drain region, the source region is formed of a first conductivity type that is either a P-type or an N-type conductivity type, and the drain region is is formed of a second conductivity type which is the conductivity type different from the first conductivity type. Further, the source region forms a semiconductor junction constituted by a junction between semiconductors with the channel portion formed of the indirect transition semiconductor, and the tunnel junction is constituted by the semiconductor junction.
A method for forming the tunnel junction in the semiconductor junction is not particularly limited, and a known method such as providing a steep concentration profile of an impurity substance between the source region and the channel portion can be used.
The semiconductor forming the source region and the drain region is not particularly limited as long as it is a material capable of forming a tunnel junction with the channel portion, and known semiconductor materials can be applied. It is preferable that the channel portion is made of the same semiconductor material as the indirect transition semiconductor that constitutes the channel portion. That is, in this case, a typical manufacturing method can be applied in which the impurity is doped into one semiconductor substrate by ion implantation or the like to form the source region and the drain region.
Further, the impurities are not particularly limited, and known impurities such as boron, phosphorus, arsenic, etc. can be used.
When the semiconductor element is operated as a P-type tunnel field effect transistor, the source region is configured as an N-type (N + ) semiconductor region, and the drain region is configured as a P-type (P + ) semiconductor region. Conversely, when the semiconductor element is operated as an N-type tunnel field effect transistor, the source region is configured as a P-type (P + ) semiconductor region and the drain region is configured as an N-type (N + ) semiconductor region. .
前記ソース部及び前記ドレイン部を前記ソース電極及び前記ドレイン電極として形成する場合、前記ソース電極と前記チャネル部とをショットキー接合で接合してトンネル接合が形成される。
このような前記ソース電極及び前記ドレイン電極としては、特に制限はなく、公知の金属材料を挙げることができ、例えば、前記チャネル部がシリコンで構成される場合、NiSi2等の金属シリサイドを挙げることができ、前記チャネル部がゲルマニウムで構成される場合、NiGe等の金属ジャーマナイドなどを挙げることができ、前記チャネル部がシリコンとゲルマニウムとの混晶で構成される場合、NiSiとNiGeとの合金等のNi、Si、Geを含む合金などを挙げることができる。
また、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の形成方法としても特に制限はなく、前記金属材料を用いた、スパッタリング法、CVD法等の公知の形成方法を挙げることができる。
When the source and drain portions are formed as the source and drain electrodes, a tunnel junction is formed by joining the source electrode and the channel portion with a Schottky junction.
The source electrode and the drain electrode are not particularly limited, and may be a known metal material. For example, when the channel portion is made of silicon, metal silicide such as NiSi 2 may be used. When the channel portion is made of germanium, a metal germanide such as NiGe can be used, and when the channel portion is made of a mixed crystal of silicon and germanium, an alloy of NiSi and NiGe, etc. Ni, Si, and alloys containing Ge can be mentioned.
Also, the method for forming the source electrode and the drain electrode is not particularly limited, and known forming methods such as a sputtering method and a CVD method using the metal material can be mentioned.
<チャネル部>
前記チャネル部は、上述の通り、前記間接遷移型半導体で形成されるとともに、一端が前記ソース部に接続され他端が前記ドレイン部に接続される前記板状形状部を有して構成される。
前記板状形状部は、上述の2条件に基づき、前記板状形状部を構成する、前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する前記第1対向面同士及び前記第2対向面同士の2組の前記対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士が、前記電子閉じ込め面を長くとも15nmの対向間隔で配して形成される。
<Channel part>
As described above, the channel portion is formed of the indirect transition semiconductor and has the plate-shaped portion having one end connected to the source portion and the other end connected to the drain portion. .
Based on the two conditions described above, the plate-shaped portion has the first opposing surfaces facing each other in a direction orthogonal to the direction in which the current flows from the source portion to the drain portion. And at least one set of the two pairs of opposing surfaces of the second opposing surfaces is formed with the electron confining surfaces arranged at an interval of 15 nm at the longest.
前記板状形状部としては、前記チャネル部中に存在する形状部であればよく、前記チャネル部全体で前記板状形状部を構成してもよいし、前記チャネル部の一部分で前記板状形状部を構成してもよい。前記バンド間トンネル現象は、前記ソース領域-前記チャネル部間に形成される前記トンネル接合を電子が通過する形で生じるため、前記トンネル接合に関与しない部分を含めた前記チャネル部全体が薄層化されている必要はない。
また、前記板状形状部としては、1枚の前記板状形状部で前記チャネル部を構成してもよいし、複数枚の前記板状形状部で前記チャネル部を構成してもよい。
The plate-shaped portion may be a portion existing in the channel portion. may constitute a part. Since the band-to-band tunneling phenomenon occurs when electrons pass through the tunnel junction formed between the source region and the channel portion, the entire channel portion including the portion not involved in the tunnel junction is thinned. It doesn't have to be.
Further, as the plate-shaped portion, the channel portion may be formed by one plate-shaped portion, or the channel portion may be formed by a plurality of plate-shaped portions.
前記第1対向面同士及び前記第2対向面同士を構成する4面の全ての構成面が前記電子閉じ込め面で構成されると、運動量保存則による制限がより一層緩和され、より一層トンネル確率を増加させることができる。
加えて、前記電子閉じ込め面で構成される前記第1対向面同士及び前記第2対向面同士の2組とも、前記電子閉じ込め面を長くとも15nmの対向間隔で配して形成される構成であると、運動量保存則による制限が更に緩和され、トンネル確率を更に増加させることができる。
When all the four planes forming the first opposing planes and the second opposing planes are composed of the electron confining planes, the restriction by the law of conservation of momentum is further relaxed, and the tunneling probability is further increased. can be increased.
In addition, both the first opposing surfaces and the second opposing surfaces formed by the electron confinement surfaces are formed by arranging the electron confinement surfaces at an opposing interval of 15 nm at the longest. , the restriction by the law of conservation of momentum is further relaxed, and the tunnel probability can be further increased.
前記電子閉じ込め面は、電子運動の規制により前記間接遷移型半導体に対し疑似的に前記直接遷移型半導体のバンド構造が付与可能とされる面であり、前記間接遷移型半導体の種類ごとに異なる。この前記電子閉じ込め面は、前記間接遷移型半導体の種類ごとに、その結晶面で記述することができる。
具体的には、図1(a)で例示するバルク材料固有のバンド構造から、前記間接遷移型半導体の種類ごとに定まり、例えば、シリコンであれば{100}面が前記電子閉じ込め面に該当し、ゲルマニウムであれば{111}面が前記電子閉じ込め面に該当する。また、前記シリコンと前記ゲルマニウムとの混晶の場合、前記ゲルマニウムの含有率が85原子%未満であれば{100}面が前記電子閉じ込め面に該当し、前記ゲルマニウムの含有率が85原子%以上であれば、{111}面が前記電子閉じ込め面に該当する。
The electron confinement plane is a plane that allows the band structure of the direct bandgap semiconductor to be artificially given to the indirect bandgap semiconductor by regulation of electron motion, and differs depending on the type of the indirect bandgap semiconductor. The electron confinement plane can be described by the crystal plane for each type of the indirect transition semiconductor.
Specifically, from the band structure peculiar to the bulk material illustrated in FIG. 1A, it is determined for each type of the indirect transition semiconductor. , and germanium, the {111} plane corresponds to the electron confinement plane. In the case of the mixed crystal of silicon and germanium, the {100} plane corresponds to the electron confinement plane if the germanium content is less than 85 atomic %, and the germanium content is 85 atomic % or more. , the {111} plane corresponds to the electron confinement plane.
前記畳み込み効果を得るための前記対向面同士(前記電子閉じ込め面同士)の対向間隔としては、15nm以下であれば特に制限はないが、小型化と同時に、より大きなトンネル電流を得る観点から、10nm以下が好ましく、8nm以下がより好ましく、6nm以下がより好ましく、4nm以下が特に好ましい。なお、下限としては、前記チャネル部の表面ラフネスによる電流量低減の観点から1nm程度である。 The spacing between the facing surfaces (the electron confinement surfaces) for obtaining the convolution effect is not particularly limited as long as it is 15 nm or less. The following is preferable, 8 nm or less is more preferable, 6 nm or less is more preferable, and 4 nm or less is particularly preferable. The lower limit is about 1 nm from the viewpoint of reducing the amount of current due to the surface roughness of the channel portion.
前記チャネル部の形成方法としては、特に制限はなく、既存の半導体設備における形成方法の中から適宜選択することができ、例えば、電子線リソグラフィー加工法、成長時間を制御して行うエピタキシャル成長法などが挙げられる。
また、前記チャネル部としては、前記間接遷移型半導体で形成されればよく、その形成材料の単結晶構造で、真性半導体のもの又は前記不純物が低濃度でドープされたものを好適に用いることができる。
The method of forming the channel portion is not particularly limited, and can be appropriately selected from among the forming methods in existing semiconductor facilities. mentioned.
Further, the channel portion may be formed of the indirect transition semiconductor, and it is preferable to use a single crystal structure of the material for forming the channel portion, an intrinsic semiconductor, or a material doped with the impurity at a low concentration. can.
<ゲート部>
前記ゲート部は、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が前記チャネル部の露出部全体又は一部を覆うように構成される部である。
前記ゲート絶縁膜の形成材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、HfO2、Al2O3、ZrO2等が挙げられる。
また、前記ゲート絶縁膜の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記形成材料を用いた、ALD法、スパッタリング法、CVD法等が挙げられる。
前記ゲート電極の形成材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、TiN、TaN、NiSi等が挙げられる。
また、前記ゲート電極の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記形成材料を用いた、ALD法、スパッタリング法、CVD法等が挙げられる。
<Gate part>
The gate portion is a portion configured such that a gate electrode covers all or part of the exposed portion of the channel portion with a gate insulating film interposed therebetween.
The material for forming the gate insulating film is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include HfO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 .
A method for forming the gate insulating film is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose.
The material for forming the gate electrode is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include TiN, TaN, NiSi and the like.
A method for forming the gate electrode is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include ALD, sputtering, and CVD using the forming material.
前記ゲート部の具体的な構成としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記チャネル部の前記板状形状部における前記第1対向面及び前記第2対向面同士を構成する4面の前記構成面全てを覆うオールアラウンド構造で構成することもできるが、前記構成面全てを覆う必要はなく、小型で簡易かつ低コストに製造する観点から、前記第1対向面及び前記第2対向面同士を構成する4面の前記構成面のうち、多くとも3面の全体又は一部を覆うように配されることが好ましい。 A specific configuration of the gate portion is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. Although it is possible to configure an all-around structure that covers all of the four constituent surfaces forming each other, it is not necessary to cover all of the constituent surfaces, and from the viewpoint of small, simple, and low-cost manufacturing, the first opposing It is preferable to be arranged so as to cover all or part of at most three of the four constituting surfaces constituting the surface and the second opposing surface.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係る半導体素子を図面を参照しつつ、説明する。
図4は、第1実施形態に係る半導体素子の分解斜視図である。また、図5(a)は、電流が流れる方向と直交する方向(図4におけるX方向)の断面図であり、図5(b)は、図5(a)における電流が流れる方向と平行な方向(図4におけるY方向)のA-A線断面図である。
[First embodiment]
A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 4 is an exploded perspective view of the semiconductor device according to the first embodiment. 5A is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the direction of current flow (the X direction in FIG. 4), and FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA in the direction (Y direction in FIG. 4);
図4に示すように、半導体素子10は、ソース部14と、ソース部14に隣接して配され、その境界を前記トンネル障壁が形成される前記トンネル接合とするチャネル部13と、チャネル部13に隣接して配されるドレイン部15と、チャネル部13の露出部全体又は一部を覆うように配されるゲート部Gとで構成され、前記トンネル電界効果トランジスタの前記素子構造を有する。
この半導体素子10は、例えば、図5(a),(b)に示すように、SOI(Silicon-on-insulator)基板等の半導体層11上に表面絶縁層12が形成された任意の基板上に形成することができるが、半導体層11及び表面絶縁層12は、半導体素子10の動作に関与しない任意構造物である。
As shown in FIG. 4, the
As shown in FIGS. 5A and 5B, the
チャネル部13は、真性半導体又は前記不純物が低濃度(例えば、1×1013cm-3~1×1016cm-3程度)でドープされたシリコンで形成されるとともに、一端がソース部14に接続され他端がドレイン部15に接続される前記板状形状部自身で構成される。
チャネル部13の前記板状形状部を構成する、ソース部14からドレイン部15に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する前記第1対向面同士及び前記第2対向面同士の2組の対向面同士のうち1組の前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)は、それぞれシリコンにおける{100}面で形成され、前記電子閉じ込め面を構成する。これら前記電子閉じ込め面同士の対向間隔を律する、図4中のX方向におけるチャネル部13の厚みD1(図5(a)参照)は、長くとも15nmとされ、チャネル部13は、前記畳み込み効果が得られるように構成される。
The
Two sets of the first opposing surfaces and the second opposing surfaces that constitute the plate-shaped portion of the
ソース部14及びドレイン部15は、シリコンに前記不純物が高濃度(例えば、1×1019cm-3~1×1021cm-3程度)にドープして形成される前記ソース領域及び前記ドレイン領域として構成され、前記トンネル接合がチャネル部13とソース部14との間の前記半導体接合で構成される。
The
ゲート部Gは、ゲート絶縁膜16を介してゲート電極17がチャネル部13の露出部全体又は一部を覆うように構成され、具体的には、前記第1対向面及び前記第2対向面同士を構成する4面の前記構成面のうち3面を覆うように配される。なお、このように板状のチャネル部13の3面をゲート部Gで覆うトランジスタの素子構造は、Fin-FETとして知られ、既存の半導体設備を利用して好適に製造することができる。
The gate portion G is configured such that the
本例では、チャネル部13の厚みD1が一様とされるが、バンド間トンネル現象は、このチャネル部13とソース部14との間の前記半導体接合で構成される前記トンネル接合を電子が通過する形で生じるため、チャネル部13における、ソース部14と接する一端及びこの一端からドレイン部15に向かう方向(図4中のY方向)の他端側に延在する前記トンネル接合の近傍部分(短くても一端から他端側に向けて15nm程度延在する部分)の前記電子閉じ込め面同士の対向間隔(チャネル部13の厚みD1)が長くとも15nmの短間隔とされ、前記近傍部分よりドレイン部15側のチャネル部13では、前記電子閉じ込め面同士の対向間隔(チャネル部13の厚みD1)が15nmを超えて構成されてもよい。
また、本例では、チャネル部13と前記トンネル接合を形成するソース部14の部分がチャネル部13の前記板状形状部と同様の形状とされる。即ち、ソース部14は、チャネル部13側に向けて先細りとなるように形成されるとともにチャネル部13と接合する端部を一端として、前記一端側の部分が板状形状部で形成され、この板状形状部を構成する、ソース部14からドレイン部15に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する前記第1対向面同士及び前記第2対向面同士の2組の対向面同士のうち1組の前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)は、チャネル部13における前記板状形状部と同様に、それぞれシリコンにおける{100}面で形成され、前記電子閉じ込め面を構成する。また、これら前記電子閉じ込め面同士の対向間隔を律する、図4中のX方向におけるソース部14における前記板状形状部の厚みは、長くとも15nmとされ、ソース部14において前記板状形状部として形成される前記トンネル接合の近傍部分(短くとも前記一端から、電流が流れる方向と逆方向であるドレイン部15から離れる方向の他端に向けて10nm程度延在する部分)は、前記畳み込み効果が得られるように構成される。
このように前記トンネル接合を形成するチャネル部13とソース部14とのそれぞれ部分が前記畳み込み効果が得られるように構成される場合、前記トンネル接合におけるトンネル確率が高まり、より大きなトンネル電流を得ることができる。
In this example, the thickness D1 of the channel portion 13 is uniform. Since it occurs in a form passing through, the portion near the tunnel junction extending from one end in contact with the
In this example, the portion of the
When the
本例では、チャネル部13がシリコンで形成されるが、チャネル部13をゲルマニウムで形成する場合、前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)を、それぞれゲルマニウムにおける{111}面で形成して、前記電子閉じ込め面を構成する。また、チャネル部13をシリコンとゲルマニウムとの混晶で形成する場合、ゲルマニウムの含有率が85原子%未満であるときは、前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)を、それぞれシリコンとゲルマニウムとの混晶における{100}面で形成して、前記電子閉じ込め面を構成し、ゲルマニウムの含有率が85原子%以上であるときは、前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)を、それぞれシリコンとゲルマニウムとの混晶における{111}面で形成して、前記電子閉じ込め面を構成する。
In this example, the
この理由は、次の通りである。
先ず、バルク状態のシリコンの伝導帯下端付近の等エネルギー面を図6(a)に示す。シリコンの場合、伝導帯下端の位置は、運動量ゼロの点ではなく、6回対称な<100>方向の軸上に存在する。そのため、<100>方向に対して垂直方向に薄層化して前記畳み込み効果を得ることが最も効果的である。つまり、前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)を、シリコンにおける{100}面で形成して、前記電子閉じ込め面を構成することが最も効果的である。
次に、バルク状態のゲルマニウムの伝導帯下端付近の等エネルギー面を図6(b)に示す。ゲルマニウムの場合、伝導帯下端の位置は、運動量ゼロの点ではなく、8回対称な<111>方向の軸上に存在する。そのため、<111>方向に対して垂直方向に薄層化して前記畳み込み効果を得ることが最も効果的である。つまり、前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)を、ゲルマニウムにおける{111}面で形成して、前記電子閉じ込め面を構成することが最も効果的である。
次に、ゲルマニウム含有率が85%未満のシリコンとゲルマニウムとの混晶の場合、外部応力がかかっていない状態では、シリコンに寄与する成分が強いため、シリコン同様、伝導帯下端の位置は、6回対称な<100>方向の軸上に存在する。よって、シリコン同様、前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)を、シリコンとゲルマニウムの混晶における{100}面で形成して、前記電子閉じ込め面を構成することが最も効果的である。
次に、ゲルマニウム含有率が85%以上のシリコンとゲルマニウムとの混晶の場合、こちらは、外部応力がかかっていない状態で、ゲルマニウムに寄与する成分が強いため、ゲルマニウム同様、伝導帯下端の位置は、8回対称な<111>方向の軸上に存在する。よって、ゲルマニウム同様、前記対向面同士(図4中のX方向で対向する対向面同士)を、シリコンとゲルマニウムの混晶における{111}面で形成して、前記電子閉じ込め面を構成することが最も効果的である。
このように、前記電子閉じ込め面は、バルク状態における前記間接遷移型半導体の材料固有のエネルギー状態から電子運動を規制する結晶方向を決定して定めることができる。
The reason for this is as follows.
First, FIG. 6A shows an isoenergetic surface near the bottom of the conduction band of bulk silicon. In the case of silicon, the position of the conduction band bottom is not on the zero-momentum point, but on the 6-fold symmetrical <100> axis. Therefore, it is most effective to obtain the convolution effect by thinning in the direction perpendicular to the <100> direction. That is, it is most effective to form the electron confining plane by forming the opposing planes (opposing planes opposing each other in the X direction in FIG. 4) with {100} planes of silicon.
Next, FIG. 6B shows an isoenergy surface near the bottom of the conduction band of germanium in the bulk state. In the case of germanium, the position of the bottom of the conduction band is not on the zero-momentum point, but on the <111> direction axis with 8-fold symmetry. Therefore, it is most effective to obtain the convolution effect by thinning in the direction perpendicular to the <111> direction. That is, it is most effective to form the electron confining plane by forming the opposing planes (opposing planes facing each other in the X direction in FIG. 4) with {111} planes of germanium.
Next, in the case of a mixed crystal of silicon and germanium having a germanium content of less than 85%, the component contributing to silicon is strong when no external stress is applied. It exists on a rotationally symmetrical <100> direction axis. Therefore, as with silicon, the electron confining planes can be formed by forming the opposing planes (opposing planes opposing each other in the X direction in FIG. 4) with {100} planes in a mixed crystal of silicon and germanium. Most effective.
Next, in the case of a mixed crystal of silicon and germanium with a germanium content of 85% or more, since the component contributing to germanium is strong in the state where no external stress is applied, the position of the bottom of the conduction band is similar to germanium. is on the <111> direction axis with 8-fold symmetry. Therefore, as in the case of germanium, the electron confining surfaces can be formed by forming the opposing surfaces (the opposing surfaces facing each other in the X direction in FIG. 4) with {111} planes in a mixed crystal of silicon and germanium. Most effective.
Thus, the electron confinement plane can be defined by determining the crystal orientation that regulates electron motion from the material-specific energy state of the indirect bandgap semiconductor in the bulk state.
以上の通り、半導体素子10では、バンド間トンネル現象が生ずる前記トンネル接合及びその近傍において、前記畳み込み効果により前記トンネル接合を通過する電子のトンネル確率が前記直接遷移型半導体と同等に向上し、トンネル電流を増加させることができる。また、前記間接遷移型半導体についての既存の製造設備を利用して、小型で簡易かつ低コストに製造することができる。
As described above, in the
第1実施形態における変形例として、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を配し、前記ソース電極と前記チャネル部とを前記ショットキー接合で接合して前記トンネル接合を形成する場合、半導体素子10におけるソース部14及びドレイン部15を前記ソース電極及び前記ドレイン電極で構成し、前記ソース電極とチャネル部13とを前記ショットキー接合で接合して前記トンネル接合を形成すればよい。
As a modification of the first embodiment, when the source electrode and the drain electrode are arranged and the source electrode and the channel portion are joined by the Schottky junction to form the tunnel junction, the source in the
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態に係る半導体素子を図面を参照しつつ、説明する。
図7は、第2実施形態に係る半導体素子の分解斜視図である。また、図8(a)は、電流が流れる方向と直交する方向(図7におけるX方向)の断面図であり、図8(b)は、図8(a)における電流が流れる方向と平行な方向(図7におけるY方向)のA-A線断面図である。
[Second embodiment]
A semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 7 is an exploded perspective view of a semiconductor device according to the second embodiment. 8A is a cross-sectional view in a direction orthogonal to the direction of current flow (X direction in FIG. 7), and FIG. 8B is a cross-sectional view in parallel with the direction of current flow in FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA in the direction (Y direction in FIG. 7); FIG.
図7に示すように、半導体素子20は、ソース部24と、ソース部24に隣接して配され、その境界を前記トンネル障壁が形成される前記トンネル接合とするチャネル部23a~23cと、チャネル部23a~23cに隣接して配されるドレイン部25と、チャネル部23a~23cの露出部全体又は一部を覆うように配されるゲート部Gとで構成され、前記トンネル電界効果トランジスタの前記素子構造を有する。
この半導体素子20は、例えば、図8(a),(b)に示すように、SOI基板等の半導体層21上に表面絶縁層22が形成された任意の基板上に形成することができるが、半導体層21及び表面絶縁層22は、半導体素子20の動作に関与しない任意構造物である。
As shown in FIG. 7, the
As shown in FIGS. 8A and 8B, the
第2実施形態に係る半導体素子20は、第1実施形態に係る半導体素子10と比較し、チャネル部13がチャネル部23a~23cで構成される点に構造上の相違がある。以下、相違点について説明する。
The
チャネル部23a~23cは、それぞれ、前記間接遷移型半導体で形成され、一端がソース部24に接続され他端がドレイン部25に接続される前記板状形状部自身で構成される。
チャネル部23aの前記板状形状部を構成する、ソース部24からドレイン部25に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する前記第1対向面同士及び前記第2対向面同士の2組の対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士(図7中のZ方向で対向する対向面同士)が前記電子閉じ込め面を構成する。これら前記電子閉じ込め面同士の対向間隔を律する、図7中のZ方向におけるチャネル部23aの厚みD2(図8(a)参照)は、長くとも15nmとされ、チャネル部23aは、前記畳み込み効果が得られるように構成される。
また、チャネル部23b,23cは、それぞれ、チャネル部23aと同じ構造を持ち、チャネル部23aと併設されるように配される。
即ち、半導体素子20では、前記畳み込み効果が得られる前記板状形状部を複数枚配し、1枚のものよりも、より大きなトンネル電流を得ることとしている。
前記畳み込み効果を得るためのチャネル部23a~23cの薄層化は、バルク状態で前記チャネル部を形成する場合と同じ形成領域内に複数枚の前記板状形状部を形成する余地を与える。
この観点から、チャネル部23b,23cは、図示の通り、チャネル部23aにおける、対向間隔が長くとも15nmとされるとともに前記電子閉じ込め面で形成される前記対向面同士の対向方向(図7中のZ方向)で、チャネル部23aと並べて併設される前記板状形状部自身(又は前記板状形状部を有する前記チャネル部)であることが好ましい。
Each of the
Two sets of the first opposing surfaces and the second opposing surfaces that constitute the plate-shaped portion of the
The
That is, in the
The thinning of the
From this point of view, the
このように構成されるチャネル部23a~23cは、それぞれ、ソース部24及びドレイン部25との接続面を除く露出部全体がゲート絶縁膜26a~26cで覆われ、かつ、ゲート絶縁膜26a~26cを介してゲート電極27で覆われる。
なお、本例では、チャネル部23aと並べて併設される23b,23cのいずれもが、前記畳み込み効果が得られるように構成されるが、いずれか1つのみが前記畳み込み効果が得られるように構成されてもよい。
また、これ以外の事項は、第1実施形態に係る半導体素子10について説明した事項を適用することができる。
The
In this example, both the
In addition, the matters described for the
次に、本発明の前記半導体素子の製造方法の例を図面を参照しつつ、説明する。
図9~15は、第1実施形態に係る半導体素子10の製造工程を示す図(1)~(7)であり、各図の(b)は、(a)におけるA-A線断面図である。
Next, an example of the method for manufacturing the semiconductor element of the present invention will be described with reference to the drawings.
9 to 15 are diagrams (1) to (7) showing the manufacturing process of the
先ず、ハンドル用Si半導体層11上に、厚み145nmのSiO2表面絶縁層(BOX層)12と、Siで厚み50nmに形成されるSOI層13’とが、この順で形成されたSOI基板を用意する(図9(a),(b)参照)。SOI層13’には、p型不純物が1×1015cm-3程度ドープされている。
次に、電子線リソグラフィーにより、SOI層13’上の所定位置にエッチングマスク101を厚み65nmで形成後、エッチングマスク101をマスクとしたリアクティブイオンエッチング(RIE)を行い、SOI層13’の形状をチャネル部13、ソース部14及びドレイン部15の形状に加工する(図10(a),(b)参照)。前記リアクティブイオンエッチング(RIE)におけるプラズマには、臭化水素(HBr)のプラズマ、臭化水素(HBr)と塩素(Cl2)との混合プラズマ及び臭化水素(HBr)とアルゴン(Ar)との混合プラズマ等を使用する。
次に、エッチングマスク101を除去した後、後続のイオン注入のため、SOI層13’の表面に厚み4nmのSiO2保護酸化膜102を形成する(図11(a),(b)参照)。
First, on a
Next, after forming an
Next, after removing the
次に、電子線リソグラフィーにより、保護酸化膜102上に厚み100nmのレジスト層103を形成し、このレジスト層103をマスクとして、5keVの加速エネルギー及び2×1015cm-2のドーズ量で、BF2を用いたイオン注入を行い、SOI層13’中に前記ドレイン領域としてのドレイン部15を形成する(図12(a),(b)参照)。
次に、酸素アッシング処理により、レジスト層103を除去し、表面をSPM(Sulfuric Acid Peroxide Mixture)洗浄する。SPM洗浄は、洗浄液として、H2SO4とH2O2を3:1の割合で混合させたものを用いる。
次に、SPM洗浄された保護酸化膜102上に厚み100nmのレジスト層104を形成し、このレジスト層104をマスクとして、5keVの加速エネルギー及び2×1015cm-2のドーズ量で、Asを用いたイオン注入を行い、SOI層13’中に前記ソース領域としてのソース部14を形成する(図13(a),(b)参照)。
SOI層13’にソース部14及びドレイン部15を形成した残余の部分がチャネル部13を構成する。
次に、酸素アッシング処理により、レジスト層104を除去し、表面をSPM洗浄する。SPM洗浄は、洗浄液として、H2SO4とH2O2を3:1の割合で混合させたものを用いる。
次に、N2ガス雰囲気の大気圧下で、1,000℃の温度で1秒間、活性化アニール処理し、ソース部14及びドレイン部15内の各不純物物質を活性化させる。
次に、1%濃度の希フッ酸(DHF)を用いて、保護酸化膜102を除去する。
Next, a resist
Next, the resist
Next, a resist
A remaining portion of the
Next, the resist
Next, an activation annealing process is performed at a temperature of 1,000° C. for 1 second under the atmospheric pressure of N 2 gas atmosphere to activate each impurity material in the
Next, the
次に、SC2洗浄液(HCl、H2O2及びH2Oを1:1:6で混合した混合液)に70℃の温度条件で5分間浸漬し、洗浄する。
次に、ALD法により、250℃の温度条件下でHfO2を堆積させて、チャネル部13の周囲に厚み2.4nmのゲート絶縁膜形成膜16’を形成するとともに、スパッタリング法により、ゲート絶縁膜形成膜16’上に厚み30nmTaNゲート電極形成層17’を形成する(図14(a),(b)参照)。
次に、マスクを用いたCl2プラズマでのリアクティブイオンエッチング加工により、ゲート絶縁膜形成膜16’及びゲート電極形成層17’を形状加工し、ゲート絶縁膜16及びゲート電極17を形成する(図15(a),(b)参照)。
以上により、半導体素子10を製造する。
なお、この製造方法は、半導体素子10の製造方法の一例を示すものであり、ユーザにおいて好適な製造設備を適宜選択し、公知の方法で製造することができる。
Next, the substrate is immersed in an SC2 cleaning solution (mixed solution of HCl, H 2 O 2 and H 2 O at a ratio of 1:1:6) at a temperature of 70° C. for 5 minutes for cleaning.
Next, by ALD, HfO 2 is deposited at a temperature of 250° C. to form a gate insulating
Next, the gate insulating film forming film 16' and the gate electrode forming layer 17' are shaped by reactive ion etching with Cl 2 plasma using a mask to form the
As described above, the
This manufacturing method is an example of the manufacturing method of the
半導体素子10の製造において重要な事項は、チャネル部13において前記電子閉じ込め面を確保することにある。
この点については、スタート基板である前記SOI基板の結晶面方位(基板に対して面直な結晶軸方向)及びチャネル部13の延在方向の選択により簡単に実施することができる。
例えば、図16(a)に示すように、シリコンにおいて<100>方向での前記畳み込み効果を得るための構造は、(100)面を主面とする前記SOI基板を用い、前記SOI基板における[110]方向の切欠き部分(オリエンテーションフラット又はノッチ。図中、円の下部に横線で示す)に対して、45度(又はそれに等価な)方向にチャネル部13の延在方向を合わせることで得ることができる。
また、例えば、図16(b)に示すように、ゲルマニウムにおいて<111>方向での前記畳み込み効果を得るための構造は、(110)面を主面とするGOI(Germanium-on-insulator)基板を用い、前記GOI基板における[1-10]方向の切欠き部分(オリエンテーションフラット又はノッチ。図中、円の下部に横線で示す)に対して、55度(又はそれに等価な)方向にチャネル部13の延在方向を合わせることで得ることができる。
なお、図16(a)は、(100)面を主面とするSOI基板を用いたチャネル部の形成方法の概要を示す図であり、図16(b)は、(110)面を主面とするGOI基板を用いたチャネル部の形成方法の概要を示す図である。
An important matter in manufacturing the
This point can be easily implemented by selecting the crystal plane orientation (crystal axis direction perpendicular to the substrate) of the SOI substrate, which is the start substrate, and the extending direction of the
For example, as shown in FIG. 16A, the structure for obtaining the convolution effect in the <100> direction in silicon uses the SOI substrate whose main surface is the (100) plane, and the [ 110] direction notch (orientation flat or notch; indicated by a horizontal line at the bottom of the circle in the figure) by aligning the extending direction of the
Further, for example, as shown in FIG. 16B, the structure for obtaining the convolution effect in the <111> direction in germanium is a GOI (Germanium-on-insulator) substrate having the (110) plane as the main surface. , the channel portion is oriented 55 degrees (or equivalent) with respect to the [1-10] direction notch portion (orientation flat or notch; indicated by a horizontal line at the bottom of the circle in the figure) in the GOI substrate It can be obtained by aligning the extending directions of 13.
FIG. 16A is a diagram showing an outline of a method of forming a channel portion using an SOI substrate having the (100) plane as the main surface, and FIG. It is a figure which shows the outline|summary of the formation method of the channel part using the GOI board|substrate which makes it.
次に、第2実施形態に係る半導体素子20に関連した本発明の前記半導体素子の製造方法の例を図面を参照しつつ、説明する。
図17~19は、第2実施形態に係る半導体素子20に関連した本発明の前記半導体素子の製造工程を示す図(1)~(3)であり、各図の(b)は、(a)におけるA-A線断面図である。
Next, an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention related to the
17 to 19 are diagrams (1) to (3) showing the manufacturing process of the semiconductor element of the present invention related to the
先ず、ハンドル用Si基板31を用意する。この基板31は、前記SOI基板について図16(a)を用いて説明した事項により、前記SOI基板と同様の結晶面方位を選択することで、後続の工程において前記電子閉じ込め面を容易に確保することができる。
この基板31上に、シリコン-ゲルマニウム犠牲層201a’、Si半導体層33a、シリコン-ゲルマニウム犠牲層201b’、Si半導体層33b、シリコン-ゲルマニウム犠牲層201c’、Si半導体層33cの順で、各層をエピタキシャル成長法により形成する(図17(a),(b)参照)。Si半導体層33a~33cの各層の厚みは、第2実施形態に係る半導体素子20におけるチャネル部23aの厚みD2(図8(a)参照)に準じて、厚くとも15nmとし、この厚みは、エピタキシャル成長時間の調整により制御することができる。
次に、マスク202を用いたリソグラフィー加工により、シリコン-ゲルマニウム犠牲層201a’~201c’及びSi半導体層33a~33cの形状を加工する(図18(a),(b)参照)。
次に、過酸化水素水(H2O2)により、シリコン-ゲルマニウム犠牲層201a’を2つのシリコン-ゲルマニウム犠牲層201aに分断するように中央部分を選択的にエッチングする。同時に、シリコン-ゲルマニウム犠牲層201b’201c’についても同様のエッチングを行う。この際、過酸化水素水(H2O2)のSi半導体層33a~33cに対するエッチング速度は、シリコン-ゲルマニウム犠牲層201a’~201c’に対するエッチング速度よりも充分に遅いため、結果的にSi半導体層33a~33cのみが分断されずに架橋された状態となり、前記チャネル部の形成が可能となる(図19(a),(b)参照)。
First, the
A silicon-germanium
Next, the shapes of the silicon-germanium
Next, the central portion is selectively etched by hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ) so as to divide the silicon-germanium
これ以外の事項は、第1実施形態に係る半導体素子10で説明した事項及び/又は公知の半導体素子の製造方法に基づき、第2実施形態に係る半導体素子20素子構成に準じた前記半導体装置を製造することができる。
Matters other than this are based on the matters explained in the
(半導体集積回路)
本発明の半導体集積回路は、本発明の前記半導体素子を有することを特徴とする。
前記半導体素子を集積化する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の方法を適宜採用することができる。
(semiconductor integrated circuit)
A semiconductor integrated circuit of the present invention includes the semiconductor element of the present invention.
The method for integrating the semiconductor elements is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose, and known methods can be appropriately adopted.
(シミュレーション)
前記間接遷移型半導体であるシリコンを2次元板状とすることで生じる、エネルギーバンド構造の変化とバンド間トンネル電流の変化とに関するシミュレーションを次のように実施した。
(simulation)
A simulation was carried out as follows regarding changes in the energy band structure and changes in inter-band tunneling current caused by making silicon, which is the indirect transition type semiconductor, into a two-dimensional plate shape.
<エネルギーバンド構造の変化>
それぞれ厚みの方向が<100>方向であるシリコンであって、厚みが無限のバルク状シリコンと、厚みが約1.1nmの板状シリコンとの2つを対象として、エネルギーバンド構造の変化に関するシミュレーション試験を行った。
具体的には、次のようにシミュレーション試験を行った。
先ず、シリコンのエネルギーバンド構造は、密度汎関数理論に基づく第一原理計算により求めた。
計算には、計算ソフトウエアVASP(Vienna Ab Initio Simulation Package)バージョン5.4を用いた。
電子の相互作用を記述する交換相関汎関数には、一般化勾配近似(GGA、Generalized Gradient Approximation)及びPBE(Perdue-Burke-Ernzerhof)形式を用いた。
価電子の波動関数は、平面波の重ね合わせによって表現され、最大500eVの運動エネルギーに対応する波数までを考慮した。内殻電子の価電子に対する相互作用は、PAW(Projector Augmented Wave)法の擬ポテンシャルを用いて表現することとした。
ここで、厚みが約1.1nmの板状シリコンは、1層あたり2個の原子からなる層を8層分重ねた構造を基準単位とし、面内方向には周期的に無限に繰り返される系を仮定して準備した。このとき、シリコンの厚さ方向上下の表面はともに水素で終端され、更に、その外側には、厚みが2nm以上の真空層が存在すると仮定した。
一方、バルク状シリコンは、1層あたり2個の原子からなる層を4層分重ねた構造を基準単位とし、この基準単位が面内及び面直の方向に周期的に無限に繰り返される系を仮定して準備した。
<Change in energy band structure>
Simulation of changes in energy band structure for two types of silicon: bulk silicon with an infinite thickness and plate-like silicon with a thickness of about 1.1 nm. did the test.
Specifically, a simulation test was conducted as follows.
First, the energy band structure of silicon was obtained by first-principles calculation based on density functional theory.
The calculation software VASP (Vienna Ab Initio Simulation Package) version 5.4 was used for the calculation.
Generalized Gradient Approximation (GGA) and Perdue-Burke-Ernzerhof (PBE) formalism were used for the exchange-correlation functional describing electron interaction.
The wave function of valence electrons is represented by the superposition of plane waves and considered up to wavenumbers corresponding to kinetic energies of up to 500 eV. The interaction of core electrons with valence electrons was expressed using the pseudopotential of the PAW (Projector Augmented Wave) method.
Here, the plate-shaped silicon with a thickness of about 1.1 nm has a structure in which eight layers of two atoms per layer are stacked as a basic unit, and a system that repeats infinitely periodically in the in-plane direction. prepared on the assumption that At this time, it was assumed that both the upper and lower surfaces in the thickness direction of the silicon were terminated with hydrogen, and that a vacuum layer having a thickness of 2 nm or more existed on the outside thereof.
On the other hand, bulk silicon has a structure in which four layers of two atoms per layer are stacked as a basic unit, and this basic unit is a system in which this basic unit is repeated infinitely periodically in the in-plane and perpendicular directions. I assumed and prepared.
前記シミュレーション試験により得られた、バルク状シリコンのエネルギーバンド構造を図20(a)に示す。また、厚みが約1.1nmの板状シリコンのエネルギーバンド構造を図20(b)に示す。
図20(a)に示すように、バルク状シリコンでは、価電子帯最上端が運動量ゼロを意味するΓ点に位置しているのに対し、伝導帯最下端は、Γ点とは異なる点に位置している。つまり、前記間接遷移型半導体の端的な特徴が示されている。
一方、図20(b)に示すように、厚みが約1.1nmの板状シリコンでは、価電子帯最上端及び伝導帯最下端がともにΓ点に位置している。つまり、本来、前記間接遷移型半導体であるシリコンが薄い板状形状にされることで疑似的に直接遷移型半導体化されていることが分かる。
FIG. 20(a) shows the energy band structure of bulk silicon obtained by the simulation test. Also, FIG. 20(b) shows the energy band structure of plate-like silicon with a thickness of about 1.1 nm.
As shown in FIG. 20( a ), in bulk silicon, the top of the valence band is located at the Γ point, which means zero momentum, whereas the bottom of the conduction band is located at a point different from the Γ point. positioned. In other words, the direct characteristics of the indirect transition semiconductor are shown.
On the other hand, as shown in FIG. 20(b), in the silicon plate having a thickness of about 1.1 nm, both the valence band uppermost end and the conduction band lowermost end are located at the Γ point. In other words, it can be seen that silicon, which is originally an indirect transition semiconductor, is transformed into a pseudo direct transition semiconductor by forming it into a thin plate-like shape.
続いて、前記第一原理計算と同じ手法を用いて求めた、シリコンのエネルギーバンド構造とシリコン膜厚との相関を図21に示す。ただし、ここでは、波動関数を表現する平面波の波数の運動エネルギーを最大550eVと仮定し、シリコン薄膜の外側の真空層の厚みを1.1nmと仮定した。図21中の縦軸は、前記シミュレーション試験における板状シリコンの厚みを変化させたときのバンドギャップ(価電子帯最上端と伝導帯最下端とのエネルギー差、Egthin)と、バルク状シリコンのバンドギャップ(価電子帯最上端と伝導帯最下端とのエネルギー差、Egbulk)との差分を、バルク状シリコンのバンドギャップとの割合で示したものである(={Egthin-Egbulk}/Egbulk)。また、横軸は、板状シリコンの厚みを示している。
シリコンのバンドギャップ変化は、前記間接遷移に関する成分と前記直接遷移に関する成分との電子軌道の混成によって生じるため、薄膜化に伴うバンドギャップの変化は、前記直接遷移に関する成分の増強を裏付ける結果となる。
図21に示すように、板状シリコンの厚みが15nm以下になると、シリコンのバンド構造に変化が生じ始め、前記直接遷移に関する成分が増強されることが確認される。
Next, FIG. 21 shows the correlation between the energy band structure of silicon and the silicon film thickness obtained by using the same method as the first-principles calculation. However, here, it is assumed that the maximum kinetic energy of the wave number of the plane wave representing the wave function is 550 eV, and the thickness of the vacuum layer outside the silicon thin film is assumed to be 1.1 nm. The vertical axis in FIG. 21 represents the bandgap (energy difference between the top end of the valence band and the bottom end of the conduction band, Eg thin ) when changing the thickness of the plate-like silicon in the simulation test, and the bulk silicon. The difference between the bandgap (energy difference between the top end of the valence band and the bottom end of the conduction band, Eg bulk ) is expressed as a ratio to the bandgap of bulk silicon (={Eg thin −Eg bulk }. / Egbulk ). Also, the horizontal axis indicates the thickness of the silicon plate.
Since the change in the bandgap of silicon is caused by the mixing of the electron orbits of the component related to the indirect transition and the component related to the direct transition, the change in the bandgap due to thinning results in supporting the enhancement of the component related to the direct transition. .
As shown in FIG. 21, when the thickness of the plate-shaped silicon becomes 15 nm or less, the band structure of silicon begins to change, and it is confirmed that the component related to the direct transition is enhanced.
<バンド間トンネル電流>
次に、バンド間トンネル電流の変化に関するシミュレーション試験を行った。
このシミュレーション試験の対象は、次の薄膜化TFETとバルクTFETとの2つを想定した。
<Band-to-band tunnel current>
Next, we conducted a simulation test on the change in band-to-band tunneling current.
Two targets of this simulation test are assumed to be the following thinned TFET and bulk TFET.
先ず、前記薄膜化TFETは、図22に示すように、厚みの方向が<100>方向であり、厚みが1.1nmで一様であり、表面及び裏面が{100}面であるシリコン板40を基材とし、長さ方向の一端側に形成されるソース領域44と、他端側に形成されるドレイン領域45との間にチャネル領域43が形成されたものを構成部材とする。このとき、厚み方向上下の表面はともに水素で終端され、更に、その外側には、厚みが無限に大きい真空層が存在すると仮定した。
ここで、ソース領域44は、P型シリコンであり、不純物濃度をおよそ5×1019cm-3として、フェルミレベルと価電子帯上端とのエネルギーが一致するように設定した。
また、ドレイン領域45は、N型シリコンであり、不純物濃度をおよそ5×1019cm-3として、フェルミレベルと伝導帯下端とのエネルギーが一致するように設定した。
また、チャネル領域43は、シリコンであり、不純物物質を加えていないものとして設定した。
また、トンネル接合42は、ソース領域44とチャネル領域43との半導体同士の接合で構成される半導体接合として設定した。
また、ソース領域44は、図示しない金属電極(ソース電極)と接続され、前記金属電極とソース領域44との接合は、理想的なオーミック接合であるとして設定した。
ドレイン領域45も、同様に、図示しない金属電極(ドレイン電極)と接続され、前記金属電極とドレイン領域45との接合は、理想的なオーミック接合であるとして設定した。
なお、図22は、前記シミュレーション試験の対象である前記薄膜化TFETの構成を説明するための説明図である。
First, as shown in FIG. 22, the thinned TFET is a
Here, the
The
The
Also, the
The
The
FIG. 22 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the thinned TFET, which is the object of the simulation test.
前記薄膜化TFETの動作設定は、ゲート電圧の入力に代えて、任意のゲート絶縁膜及びゲート電極によりチャネル領域43に印加される電界を入力することで動作することとした。
電界は、トンネル接合42の位置からドレイン領域45に向けたチャネル領域43の延在方向に10nm離れた位置までのチャネル領域43の部分に対して印加されるように設定した。なお、不純物物質の濃度が高濃度であるため、ソース領域43には電界がかかっていないものとして設定した。なお、この設定に基づき、トンネル接合42にかかる電界(E)は、次式、電界(E)=電圧降下(ΔV)/距離(=10nm)で設定される。
トンネル接合42の位置から前記延在方向に10nmよりも長い距離で離れたチャネル領域43の部分では、電界が印加されず、フェルミレベルと伝導帯下端とのエネルギーが一致してドレイン領域45とバリアなく繋がっているものとして設定した。
The thinned TFET is set to operate by inputting an electric field applied to the
The electric field was set to be applied to a portion of the
In the portion of the
次に、前記バルクTFETは、前記薄膜化TFETにおいて、シリコン板40の厚みを1.1nmから無限大に変更したこと以外は、前記薄膜化TFETと同様に設定した。
Next, the bulk TFET was set in the same manner as the thinned TFET except that the thickness of the
前記シミュレーション試験では、これら2つのTFETを対象とし、電界の入力値を変数としたバンド間トンネル電流を比較することで、これら2つのTFETにおけるバンド間トンネル電流を確認する。
このシミュレーション試験では、下記参考文献2において、中間不純物準位を含むバルク状シリコン及び化合物族半導体についてのバンド間トンネル電流の計算に用いた計算ソフトウエアと同じものを用いて、バンド間トンネル電流を計算した。
ここで、電流強度は、非平衡グリーン関数の透過係数を計算することで求めた。電子の波動関数や密度を表現する基底には、強束縛近似に基づくシリコン原子のsp3s*軌道を採用した。強束縛近似に用いる電子の軌道エネルギーと原子間飛び移りエネルギーは、前記バルクシリコンのバンド構造(図20(a)参照)と実験で求められているシリコンの既知のバンドギャップエネルギー(1.1eV)を再現するように決めた。この強束縛近似を用いて、厚さ1.1nmの薄膜のエネルギーバンド構造を求め、それを使ってトンネル電流の計算を行った。pn接合界面をトンネルする電子の相互作用は、電極、電極-半導体間、半導体自身の電子のグリーン関数により記述した。
参考文献2:趙祥勲、中山隆史、“p/n接合中の共鳴不純物準位によるトンネル電流の増大:直接・間接バンドギャップ系の比較”第26回 電子デバイス界面テクノロジー研究会予稿集 pp.109-113, 2021年1月.
In the simulation test, these two TFETs are targeted, and the band-to-band tunneling currents in these two TFETs are confirmed by comparing the band-to-band tunneling currents with the input value of the electric field as a variable.
In this simulation test, the same calculation software as used for calculating the interband tunnel current for bulk silicon and compound semiconductors containing intermediate impurity levels in
Here, the current intensity was determined by calculating the non-equilibrium Green's function transmission coefficient. The sp3s* orbitals of silicon atoms based on the tight-binding approximation were adopted as the basis for expressing the electron wavefunction and density. The orbital energy and interatomic jump energy of electrons used in the tight-binding approximation are based on the band structure of bulk silicon (see FIG. 20(a)) and the known bandgap energy of silicon (1.1 eV) obtained by experiments. decided to reproduce the Using this tight-binding approximation, the energy band structure of a thin film with a thickness of 1.1 nm was obtained, and the tunnel current was calculated using it. The interaction of electrons tunneling through the pn junction interface was described by the Green's function of electrons in the electrode, between the electrode and the semiconductor, and in the semiconductor itself.
Reference 2: Xianghun Cho, Takashi Nakayama, "Increase in tunnel current due to resonant impurity level in p/n junction: Comparison of direct and indirect bandgap systems" Proceedings of the 26th Electronic Device Interface Technology Study Group pp.109- 113, January 2021.
バンド間トンネル電流のシミュレーション試験結果を図23に示す。なお、図23では、1×10-15A/μmの電流の導通をトンネル電流の流れ始めとし、このトンネル電流が流れ始めた電界を閾電界として0MV/cmとし、この閾電界からの差で横軸の電界を表示している。
図23に示すように、薄膜化TFETでは、バルクTFETに対し、バンド間トンネル電流が大幅に増大されることが確認される。
以上より、本発明の前記半導体素子では、前記間接遷移型半導体で形成される前記チャネル部を疑似的に直接遷移型半導体化させ、トンネル電流を増大させることができる。
FIG. 23 shows the simulation test results of band-to-band tunneling current. In FIG. 23, the tunnel current begins to flow when a current of 1×10 −15 A/μm flows. The horizontal axis shows the electric field.
As shown in FIG. 23, it is confirmed that the band-to-band tunneling current is significantly increased in the thinned TFET as compared to the bulk TFET.
As described above, in the semiconductor element of the present invention, the channel portion formed of the indirect transition semiconductor can be pseudo-direct transition semiconductor to increase the tunnel current.
前記シミュレーション結果及び本発明がもたらす効果の有効性を確認するため、前記半導体素子を製造し、その性能評価を行った。以下、具体的に説明する。 In order to confirm the simulation result and the effectiveness of the effects brought about by the present invention, the semiconductor device was manufactured and its performance was evaluated. A specific description will be given below.
(実施例1)
実施例1に係る半導体素子を、図5(a),(b)に示す第1実施形態に係る半導体素子10の構成に準じて製造した。
実施例1に係る半導体素子は、有効性確認のための試作に係り、第1実施形態に係る半導体素子10において、ゲート絶縁膜16及びゲート電極17を形成せず、半導体層11(図5(a),(b)参照)を前記ゲート電極として利用するバックゲート構造の素子に係る。前記バックゲート構造の実施例1に係る半導体素子は、ゲート絶縁膜16及びゲート電極17を有する第1実施形態に係る半導体素子10と比べ、得られるオン電流が小さいことが想定されるものの、スイッチング特性、並びに、大きなトンネル電流及びトンネル電流密度が得られる諸条件について第1実施形態に係る半導体素子10と共通する。実施例1に係る半導体素子に対する有効性の確認結果は、第1実施形態に係る半導体素子10を含めた本発明の前記半導体素子の有効性を強く支持する。
(Example 1)
A semiconductor device according to Example 1 was manufactured according to the configuration of the
The semiconductor device according to Example 1 relates to a trial production for confirming effectiveness. a) and (b)) as the gate electrode. Although it is assumed that the semiconductor device according to Example 1 having the back gate structure provides a smaller on-current than the
実施例1に係る半導体素子は、図9~図13(b)を参照しつつ説明した方法と同様の製造方法で以下のように製造した。なお、説明中の符号は、図9~図13(b)における符号と共通する。
先ず、ハンドル用Si半導体層11上に、厚み145nmのSiO2表面絶縁層(BOX層)12と、Siで厚み50nmに形成されるSOI層13’とが、この順で形成されたSOI基板を用意した(図9(a),(b)参照)。SOI層13’には、p型不純物が1×1015cm-3程度ドープされている。
ここで、前記SOI基板としては、(100)面を主面とするものを用い、以降の製造工程において、前記SOI基板における[110]方向の切欠き部分に対して、45度方向にチャネル部13の延在方向を合わせることで、形成されるチャネル部13に前記電子閉じ込め面を持たせることとした(図16(a)参照)。
The semiconductor device according to Example 1 was manufactured as follows by a manufacturing method similar to the method described with reference to FIGS. 9 to 13B. The reference numerals in the description are the same as the reference numerals in FIGS. 9 to 13(b).
First, on a
Here, as the SOI substrate, one having a (100) plane as a main surface is used, and in subsequent manufacturing steps, the channel portion is oriented 45 degrees with respect to the notch portion in the [110] direction of the SOI substrate. By aligning the extending directions of 13, the formed
次に、電子線リソグラフィーにより、SOI層13’上の所定位置にエッチングマスク101を厚み65nmで形成後、エッチングマスク101をマスクとしたリアクティブイオンエッチング(RIE)を行い、SOI層13’の形状をチャネル部13、ソース部14及びドレイン部15の形状に加工した(図10(a),(b)参照)。前記リアクティブイオンエッチング(RIE)におけるプラズマには、臭化水素(HBr)とアルゴン(Ar)との混合プラズマを使用した。
ここで、SOI層13’の形状加工は、後工程で形成されるチャネル部13のFin幅(図5(a)における厚みD1に相当)が14nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を調整して行った。つまり、次工程で形成されるSiO2保護酸化膜102の厚み4nmを考慮して、SOI層13’の厚みが18nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を調整して行った。
次に、エッチングマスク101を除去した後、後続のイオン注入のため、SOI層13’の表面に厚み4nmのSiO2保護酸化膜102を形成した(図11(a),(b)参照)。
Next, after forming an
Here, the shape processing of the SOI layer 13 ' is performed by the reactive ion etching ( RIE) settings were adjusted. That is, considering the thickness of 4 nm of the SiO 2
Next, after removing the
次に、電子線リソグラフィーにより、保護酸化膜102上に厚み100nmのレジスト層103を形成し、このレジスト層103をマスクとして、5keVの加速エネルギー及び2×1015cm-2のドーズ量で、Asを用いたイオン注入を行い、SOI層13’中に前記ソース領域としてのソース部14を形成した。
次に、酸素アッシング処理により、レジスト層103を除去し、表面をSPM(Sulfuric Acid Peroxide Mixture)洗浄した。SPM洗浄としは、H2SO4とH2O2を3:1の割合で混合させたものを用いた。
次に、SPM洗浄された保護酸化膜102上に厚み100nmのレジスト層104を形成し、このレジスト層104をマスクとして、5keVの加速エネルギー及び2×1015cm-2のドーズ量で、BF2を用いたイオン注入を行い、SOI層13’中に前記ドレイン領域としてのドレイン部15を形成した(ソース部14,ドレイン部15の形成例について、図12,13参照)。
SOI層13’にソース部14及びドレイン部15を形成した残余の部分がチャネル部13を構成する。
次に、酸素アッシング処理により、レジスト層104を除去し、表面をSPM洗浄した。SPM洗浄は、洗浄液として、H2SO4とH2O2を3:1の割合で混合させたものを用いた。
次に、N2ガス雰囲気の大気圧下で、1,000℃の温度で1秒間、活性化アニール処理し、ソース部14及びドレイン部15内の各不純物物質を活性化させた。
次に、1%濃度の希フッ酸(DHF)を用いて、保護酸化膜102を除去した。
Next, by electron beam lithography , a resist
Next, the resist
Next, a 100 nm-thick resist
A remaining portion of the
Next, the resist
Next, activation annealing was performed at a temperature of 1,000° C. for 1 second under the atmospheric pressure of N 2 gas atmosphere to activate each impurity material in the
Next, the
以上により、実施例1に係る半導体素子を製造した。
この実施例1に係る半導体素子では、チャネル部13のFin幅(図5(a)における厚みD1に相当)が14nmであり、かつ、Fin幅を規制するチャネル部13の対向面同士が前記電子閉じ込め面とされる。
As described above, a semiconductor device according to Example 1 was manufactured.
In the semiconductor device according to Example 1 , the Fin width of the channel portion 13 (corresponding to the thickness D1 in FIG. 5A) is 14 nm, and the opposing surfaces of the
(実施例2)
Fin幅が12nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を変更してSOI層13’の形状加工を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2に係る半導体素子を製造した。
(Example 2)
Example 2 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the setting of the reactive ion etching (RIE) was changed to shape the SOI layer 13' so that the Fin width was 12 nm. A semiconductor device was manufactured.
(実施例3)
Fin幅が10nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を変更してSOI層13’の形状加工を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、実施例3に係る半導体素子を製造した。
(Example 3)
Example 3 was performed in the same manner as in Example 1, except that the setting of the reactive ion etching (RIE) was changed to shape the SOI layer 13' so that the Fin width was 10 nm. A semiconductor device was manufactured.
(実施例4)
Fin幅が8nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を変更してSOI層13’の形状加工を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、実施例4に係る半導体素子を製造した。
(Example 4)
Example 4 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the setting of the reactive ion etching (RIE) was changed to shape the SOI layer 13' so that the Fin width was 8 nm. A semiconductor device was manufactured.
(実施例5)
Fin幅が4nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を変更してSOI層13’の形状加工を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、実施例5に係る半導体素子を製造した。
(Example 5)
Example 5 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the setting of the reactive ion etching (RIE) was changed to shape the SOI layer 13' so that the Fin width was 4 nm. A semiconductor device was manufactured.
(比較例1)
Fin幅が16nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を変更してSOI層13’の形状加工を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1に係る半導体素子を製造した。
(Comparative example 1)
Comparative Example 1 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the setting of the reactive ion etching (RIE) was changed to shape the SOI layer 13' so that the Fin width was 16 nm. A semiconductor device was manufactured.
(比較例2)
Fin幅が28nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を変更してSOI層13’の形状加工を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、比較例2に係る半導体素子を製造した。
(Comparative example 2)
Comparative Example 2 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the setting of the reactive ion etching (RIE) was changed to shape the SOI layer 13' so that the Fin width was 28 nm. A semiconductor device was manufactured.
(比較例3)
Fin幅が38nmとなるように、前記リアクティブイオンエッチング(RIE)の設定を変更してSOI層13’の形状加工を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、比較例3に係る半導体素子を製造した。
(Comparative Example 3)
Comparative Example 3 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the setting of the reactive ion etching (RIE) was changed to shape the SOI layer 13' so that the Fin width was 38 nm. A semiconductor device was manufactured.
<性能評価>
実施例1~5及び比較例1~3の各半導体素子の性能評価にあたり、これら各半導体素子を電子顕微鏡で撮影することで、Fin幅を含む各設定が正しく実現できていることを事前に確認した。
例として、実施例4に係る半導体素子を上面から撮影した走査型電子顕微鏡像を図24に示す。
<Performance evaluation>
In evaluating the performance of each semiconductor device of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3, each semiconductor device was photographed with an electron microscope to confirm in advance that each setting including the Fin width was correctly realized. did.
As an example, FIG. 24 shows a scanning electron microscope image of the semiconductor device according to Example 4 taken from above.
(スイッチング特性)
次に、実施例1~5及び比較例1~3の各半導体素子に対し、スイッチング特性の測定を行った。
スイッチング特性の測定は、次のように実施した。
即ち、半導体デバイスパラメーターアナライザー(アジレント・テクノロジー社製、B1500)に接続されたマニュアルプローバー(日本マイクロニクス社製、708fT)の各測定針をソース部14、ドレイン部15及びゲート電極としてのSi半導体層11に対して金属板(アルミニウム(約98質量%)に微量のシリコン及び銅を混合した合金)を介して端子接続し、所定のドレイン電圧でゲート電圧を掃引してドレイン電流(トンネル電流)の測定を行い、スイッチング特性の測定を実施した。なお、測定は、室温環境下で実施した。
(switching characteristics)
Next, the switching characteristics of the semiconductor devices of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 were measured.
The switching characteristics were measured as follows.
That is, each measurement needle of a manual prober (manufactured by Micronics Japan, 708fT) connected to a semiconductor device parameter analyzer (manufactured by Agilent Technologies, Inc., B1500) was used to measure the
実施例1~5及び比較例1~3の各半導体素子に対し、スイッチング特性を測定した結果、ゲート電圧に応じた、ドレイン電流(トンネル電流)のオン状態-オフ状態間のスイッチング特性が確認された。つまり、実施例1~5及び比較例1~3の各半導体素子は、いずれも前記トンネル電界効果トランジスタとして動作する。
例として、実施例4に係る半導体素子のスイッチング特性を図25に示す。なお、図25では、黒丸で表示されたプロットが右軸の対数スケールでのドレイン電流を示し、白抜きの菱形で表示されたプロットが左軸の線形スケールでのドレイン電流を示している。また、ドレイン電流が1×10-12Aのときのゲート電圧をVoffとして0Vにシフト表示している。
図25に示すように、実施例4に係る半導体素子では、オフ状態のゲート電圧Voffからゲート電圧の値を負の方向に大きくすると、オン状態となりドレイン電流が流れる。この時、右軸の対数スケールでのドレイン電流の推移から理解されるように、実施例4に係る半導体素子は、前記トンネル電界効果トランジスタの特徴の一つである、低電圧領域での急峻なスイッチング特性を示している。これらの特徴は、実施例2~5及び比較例1~3の各半導体素子において共通して見られる特徴である。
As a result of measuring the switching characteristics of each of the semiconductor devices of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3, the switching characteristics of the drain current (tunnel current) between the ON state and the OFF state according to the gate voltage were confirmed. rice field. That is, each of the semiconductor devices of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 operates as the tunnel field effect transistor.
As an example, FIG. 25 shows the switching characteristics of the semiconductor device according to Example 4. In FIG. In FIG. 25 , the plot indicated by black circles indicates the drain current on the logarithmic scale of the right axis, and the plot indicated by white rhombuses indicates the drain current on the linear scale of the left axis. Also, the gate voltage when the drain current is 1×10 −12 A is shifted to 0 V as V off .
As shown in FIG. 25, in the semiconductor device according to the fourth embodiment, when the value of the gate voltage is increased in the negative direction from the gate voltage V off in the off state, the semiconductor device enters the on state and the drain current flows. At this time, as can be understood from the transition of the drain current on the logarithmic scale on the right axis, the semiconductor device according to Example 4 has a steep drop in the low voltage region, which is one of the features of the tunnel field effect transistor. It shows the switching characteristics. These features are features commonly seen in the semiconductor devices of Examples 2-5 and Comparative Examples 1-3.
(トンネル電流及びトンネル電流密度)
先のスイッチング特性の測定におけるゲート電圧が-11.5Vのときの実施例1~5及び比較例1~3の各半導体素子のドレイン電流及びドレイン電流密度を図26,27に示す。なお、図26は、トンネル電流とFin幅との関係を示す図であり、図27は、トンネル電流密度とFin幅との関係を示す図である。
(Tunnel current and tunnel current density)
FIGS. 26 and 27 show drain currents and drain current densities of the semiconductor devices of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 when the gate voltage is −11.5 V in the measurement of the switching characteristics described above. FIG. 26 is a diagram showing the relationship between tunnel current and Fin width, and FIG. 27 is a diagram showing the relationship between tunnel current density and Fin width.
図26に示すように、Fin幅が16nmのときにドレイン電流が最小となる状態を迎え、グラフ上、Fin幅がおよそ15nm以下まで減少すると、一転、ドレイン電流が増大する傾向を迎える。
この現象は、Fin幅が15nmとなるのを機に、前記間接遷移型半導体の疑似的な直接遷移型半導体化に基づく前記閉じ込め効果を受けてトンネル電流が増大することを表しており、前記シミュレーション結果及び本発明がもたらす効果の有効性を明確に支持する。
また、このドレイン電流増大の効果は、図27に示すトンネル電流密度から理解されるように、極めて大きい。
実施例1~5の各半導体素子では、前記間接遷移型半導体の疑似的な直接遷移型半導体化に基づく前記閉じ込め効果によりトンネル電流が増大化されており、比較例1~3の各半導体素子が示すFin幅減少に伴うトンネル電流の減少傾向から見積もられる同一Fin幅でのトンネル電流からみて、大きなトンネル電流が得られることが明らかである。よって、本発明に係る半導体素子は、大きなオン電流が得られると評価できる。
加えて、実施例1~5の各半導体素子では、Fin幅が減少するにつれて、逆にトンネル電流が増加する傾向を示すことから、本発明に係る半導体素子は、高集積化に必要な素子の小型化への要求を同時に満足させることができる。
かつ、実施例1~5の各半導体素子は、加工上の難点を持つことなく既存の製造設備を用いて製造することができることから、本発明に係る半導体素子は、既存の製造設備を利用しつつ、簡易かつ低コストに製造することができるメリットを兼ね備える。
As shown in FIG. 26, when the Fin width is 16 nm, the drain current becomes minimum, and when the Fin width decreases to about 15 nm or less, the drain current tends to increase.
This phenomenon indicates that when the Fin width reaches 15 nm, the tunnel current increases due to the confinement effect based on the pseudo direct transition type semiconductor conversion of the indirect transition type semiconductor, and the simulation It clearly supports the validity of the results and the effects provided by the present invention.
Moreover, the effect of increasing the drain current is extremely large, as understood from the tunnel current density shown in FIG.
In each of the semiconductor devices of Examples 1 to 5, the tunnel current is increased due to the confinement effect based on the pseudo direct transition semiconductor of the indirect transition semiconductor, and the semiconductor devices of Comparative Examples 1 to 3 are It is clear that a large tunnel current can be obtained from the tunnel current estimated from the decreasing tendency of the tunnel current as the Fin width is decreased, at the same Fin width. Therefore, the semiconductor device according to the present invention can be evaluated as having a large on-current.
In addition, in each of the semiconductor devices of Examples 1 to 5, as the Fin width decreases, the tunnel current tends to increase. The demand for miniaturization can be satisfied at the same time.
In addition, since each of the semiconductor devices of Examples 1 to 5 can be manufactured using existing manufacturing equipment without problems in processing, the semiconductor device according to the present invention can be manufactured using existing manufacturing equipment. It also has the merit of being able to be manufactured easily and at low cost.
1,1’ 間接遷移半導体
2,42 トンネル接合
10,20 半導体素子
11,21 半導体層
12,22 表面絶縁層
13,23a,23b,23c チャネル部
13’ SOI層
14,24 ソース部
15,25 ドレイン部
16,26a,26b,26c ゲート絶縁膜
16’ ゲート絶縁膜形成膜
17,27 ゲート電極
17’ ゲート電極形成層
31 基板
33a,33b,33c Si半導体層
40 シリコン板
43 チャネル領域
44 ソース領域
45 ドレイン領域
102 保護酸化膜
103,104 レジスト層
201a,201a’,201b,201b’,201c,201c’ シリコン-ゲルマニウム犠牲層
Claims (10)
間接遷移型半導体で形成されるチャネル部が、一端がソース部に接続され他端がドレイン部に接続される板状形状部を有して構成されるとともに、
前記板状形状部を構成する、前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する第1対向面同士及び第2対向面同士の2組の対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士が、電子運動の規制により前記間接遷移型半導体に対し疑似的に直接遷移型半導体のバンド構造が付与可能とされる電子閉じ込め面を長くとも15nmの対向間隔で配して形成されることを特徴とする半導体素子。 In a semiconductor device having an element structure of a tunnel field effect transistor,
A channel portion formed of an indirect transition semiconductor is configured to have a plate-shaped portion having one end connected to the source portion and the other end connected to the drain portion,
Of the two sets of opposing surfaces, ie, the first opposing surfaces and the second opposing surfaces, which constitute the plate-shaped portion and are opposed in a direction perpendicular to the direction in which the current flows from the source portion to the drain portion At least one pair of the opposing surfaces is arranged at an interval of 15 nm at the longest between the opposing surfaces, such that the electron confining surfaces are capable of imparting a pseudo direct transition semiconductor band structure to the indirect transition semiconductor by regulation of electron motion. A semiconductor device characterized by being formed by:
間接遷移型半導体により一端がソース部に接続され他端がドレイン部に接続される板状形状部を有するチャネル部を形成するとともに、前記板状形状部を構成する、前記ソース部から前記ドレイン部に向かう電流が流れる方向に対して直交方向で対向する第1対向面同士及び第2対向面同士の2組の対向面同士のうち少なくとも1組の前記対向面同士を、電子運動の規制により前記間接遷移型半導体に対し疑似的に直接遷移型半導体のバンド構造が付与可能とされる電子閉じ込め面を長くとも15nmの対向間隔で配して形成するチャネル部形成工程を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
A channel portion having a plate-shaped portion, one end of which is connected to a source portion and the other end of which is connected to a drain portion, is formed by an indirect transition type semiconductor, and the plate-shaped portion is formed from the source portion to the drain portion. At least one of the two sets of opposing surfaces, that is, the first opposing surfaces and the second opposing surfaces facing each other in the direction orthogonal to the direction in which the current flows toward the A semiconductor characterized by comprising a channel portion forming step of forming electron confining surfaces capable of imparting a pseudo-direct band structure to an indirect band semiconductor at an opposing interval of at most 15 nm. A method of manufacturing an element.
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